Den genetiske kode og dens opprinnelse

Informasjon i cellen

Vi går nå videre fra proteinnivå til molekylnivå. Her finner vi en av livets grunnleggende byggesteiner: DNA-molekylet. Det var en av allet tiders største vitenskapelige oppdagelser, da dette informasjonsbærende makromolekylet ble kartlagt. En levende celle er spekket med informasjon. Dette vedgår også Richard Dawkins. I følge ham er 'det essensielle i alle livsformer ..informasjon, ord, instruksjoner.. Tenk på en milliard distinkte talltegn.. Hvis en i dag vil forstå livet, må en tenke i IT-baner.' Det informasjonsbærende DNA ligger i cellens kjerne, og gjemmer de instruksjoner nødvendige for å bygge proteinene som en organisme krever, hvis den skal fungere. Selv om DNA er grunnleggende for livet, er ikke DNA 'liv i seg selv'.

DNAet inneholder en informasjonsdatabase og det programmet som skal til for å produsere ett bestemt produkt. Hver eneste av det menneskelige legemes 10 til 100 billioner celler inneholder en database, som rommer mer informasjon enn hele Encyclopedica Brittanica (tidligere største leksikon i verden). Etterhvert som molekylær-biologer ble tvunget til å annerkjenne den genetiske kodens karakter og funksjon, har de tatt til seg av informasjonsteknologiens språk og metodologi. Cellen er en molekylstruktur med kapasitet til informasjonsbearbeiding. Det er en spennende utvikling, fordi den biologiske informasjons beskaffenhet nå kan utforskes ved hjelp av begreper og resultater fra informasjonsteorien.

Hva er DNA?

Bokstavene er forkortelse for Deoxyribose Nucleic Acid (Deoxyribose-nukleinsyre) Det er snakk om et meget langt molekyl med en dobbelt-spiralstruktur. Det ligner en vridd taustige og består av en meget lang 'vindeltrapp' av en meget lang kjede av veldig enkle molekyler (nukleotider). Nukleotider består av tre deler: en sukkergruppe (deoxyribose), en fosfatgruppe -som et oksygenatom er fjernet fra (derav -deoxy) og en base. Trappetrinnene i vindeltrappen dannes av fire nitrogenholdige baser: adenin, guanin, cytosin og thymin (eller forkortet: A, G,C og T). Det er de som atskiller det ene nukleotid fra det andre. De to første baser er kjemiske forbindelser som kalles puriner og de andre to pyrimidiner.

Hvert trinn på stigen i DNA-spiralen dannes av et basepar, hvor de to basepars molekyler holdes sammen av en hydrogenbinding. Baseparene følger bestemte regler: A kobles alltid med T, og C med G. Et purin knytter seg alltid til et pyrimidin ( se bilde). De to trådene er da komplementære, og om en kjenner den ene, kan en regne ut den andre. Vi skal se hvorfor det er viktig. På samme måte som bokstaver i et skriftspråk kan formidle et budskap, kan basene i DNA-strengen det også. Budskapet er helt avhengig av at basene kommer i en bestemt rekkefølge. Vi kan si at i DNAet benyttes et alfabet bestående av bokstavene: A, C, G og T.

Et gen består av en lang rekke av disse 'bokstavene', og det bærer den informasjon som kreves for å danne et protein. En kan si at et gen er det sett instruksjoner som skal til for å danne proteinet. I praksis virker kodingen slik: Hver gang vi har tre nukleotider danner de et sett vi kaller et kodon. Hvert kodon koder for en aminosyre. Det er 20 ulike aminosyrer i levende menneskeceller. Siden det er tre nukleotider i et kodon, og hver av de kan være av 4 ulike slag: gir det 4*4*4=64 mulige kodoner(tripletter) til rådighet. Opp til 6 ulike kodoner kan da kode for samme aminosyre. Herav navnet den genetiske kode.
Genomet består på sin side av et komplett sett av gener. Det DNAet som koder for genomet, er meget omfangsrike. En E-coli bakterie består av omkring 4 millioner bokstaver -og ville fylt 1000 sider i en bok. Det menneskelige genom er ca 5,5 milliarder bokstaver langt, -og ville fylt et helt bibliotek. Den faktiske lengde av menneskets DNA-atom er i underkant av 2 meter (ca 1,8 m) om en strekker ut den oppkveilede spiral-formen. Når det finnes minst 10 billioner celler i kroppen, kommer en opp i en samlet lengde på informasjonen på ca 20 milliarder km. (Det skulle utgjøre avstanden til sola 133 ganger; Bakgrunnskilde: http://www.space.com/17081-how-far-is-earth-from-the-sun.html).

Genomet utgjør bare en liten del av DNAet, ca 3%. Av de resterende 97% vet vi nå at mye er ansvarlig for regulering, opprettholdelse og omprogrammering av genetiske sekvenser. I tillegg inneholder de meget mobile segmenter av DNAet. De har fått navnet transposoner, fordi de kan framstille kopier av seg selv, og deretter flytte rundt til ulike steder på genomet. Det kan slukke eller aktivere visse gener. Dessuten benyttes ikke-kodende DNA til DNA-profiler i rettsmedisin. Her har hvert menneske en unik profil.

Proteiner fra DNA

DNAet ligger i cellens indre kjerne, beskyttet av en kjernemembran. Før cellen kan produsere noe, må den informasjon som ligger i DNAet transporteres ut i cytoplasmaet utenfor kjernen i cellen, 'fabrikkbygningen', om en vil. Dette skjer i såkalte ribosomer, som kan fremstille enzymer til prosesser i cellen. DNA-informasjon fraktes via m-(messenger)RNA. RNA har en hydroksylgruppe mer enn DNA, men mangler deres dobbelt-strengede form. Dessuten erstattes basen T (Tyamin) med basen U (uracil). m-(messenger)RNA kan sammenlignes med et magnetbånd til en mainframe-computer. Ribosomet kan sammenlignes med en maskin som konstruerer et protein 'i tråd med' instruksen på båndet.

Produksjonen krever at ribosomet beveger seg langs mRNA-strengen for å lese informasjonen innfeldt der. Det er som et magnethode til en båndopptager eller scannings-hode til en Touringmaskin. Kodonet blir avlest på computervis, f.eks: AAC UGC UUG... Oppgaven til ribosomet er så å finne den aminosyren som svarer til kodonene. De aktuelle aminosyrene svømmer rundt i nærheten, og er hektet på molekyler ved ester-bindinger. Disse korslignende molekylene kalles tRNA (transporter RNA) Aminosyren vil være knyttet til foten av molekylet, mens på toppen er et anti-kodon til dette (f.eks UUG som er antikodon for AAC). Ribosomet leser et kodon, søker etter og finner tilsvarende anti-kodon, innfanger det og fjerner aminosyren knyttet til den. Denne aminosyren skjøtes av ribosomet sammen med de foregående, og slik oppbygges gradvis et nytt protein. Dette skjer i en høy hastighet, så godt som uten feil.

Disse bittesmå mekanismene er så små at de må sees gjennom et 'atomært kraftmikroskop (AFM). Vi står her overfor en forbløffende raffinert orden, som et kort blikk i enhver lærebok i molekylærbiologi vil bekrefte. Kompleksiteten er av en slik art at selv ovebeviste neodarwinistiske biologer (eks. John M. Smith og Eörs Szathmary må innråmme at det eksisterende oversettelsemaskineri på en gang er så essensielt, så innviklet og så universelt at det vanskelig å se hvordan det er kommet til, eller hvordan livet kunne ha eksistert uten det. Nesten ti år senere beklager mikrobiologen Carl Woese seg over at selv mennesker med all sin intelligigens, ikke kan konstruere slike mekanismer..

Selv om DNA er opphav til proteiner, kan ikke replikering av DNA igangsettes uten at det finnes en rekke proteiner. Som en følge av dette har mange kjemikere gått vekk fra RNA-først hypotesen.. Likevel finnes en gruppe som holder på hypotesen om det selvkopierende molekyl. For at den skal stemme, må de da forutsette en 'pre-RNA-verden'. Dette finnes det ikke holdepunkter for, og det virker bare som en forskyver problemet med å forklare livets tilblivelse.

Men, om slike replikatorer skulle oppstå tilfeldig -uten bistand fra en kjemiker, ville de støte på problemer av en helt urimelig størrelsesorden. Om det skulle ha funnes en slags 'ursuppe' som på mystisk vis er satt sammen under forhold som begunstiger sammensetning av kjeder av aminosyrer. Da ville nødvendige aminosyrer for oppbygging av liv bli ledsaget av horder av 'defekte byggesteiner' (aminosyrer som ikke kan tjene sluttresultatet). Og hvis de inngår i prosessen, ville de spolere kjedens mulighet til å fungere som replikator. De ville derimot lett fungere som en terminator, en stoppkode, for hele oversettelsesprosessen.

Det er ingen grunn til at ikke en indifferent natur ville sette sammen ulike enheter helt tilfeldig, og dermed framstille en enorm vifte av sammenblandede kort. Vi har tidligere beregnet sannsynligheter for dette, og vil nå i stedet bruke en mye anvendt analogi. La oss forestille oss en svær gorilla ved et enormt tastatur. Tastaturet inneholder språktegn fra alle kjente språk, slik det gjør i en PC. Sjansene for en spontan samling til en replikator alle mulige aminosyrer, kan sammenlignes med at gorillaen skriver en sammenhengende oppskrift på Chili Con Carne. Ut fra lignende overveielser har f.eks. Leslie Orgel fra Salk Institute og Gerald F. Joyce fra Scripps Research Institute konkludert at en spontan fremkomst av RNA-kjeder på den livløse jord, ville ha vært noe av et under.' Schapiro uttaler: 'Man er nødt til å se bort fra at DNA, RNA, proteiner og andre utarbeidede store molekyler når vi taler om livets opprinnelse. Hans alternative 'stoffskifte først' teori, er heller ikke realistisk. Det finnes ikke enighet om hvorvidt stoffskiftet kunne utvikle seg uavhengig av genetisk materiale. Omtalte Leslie Orgel skriver: 'det er intet i den kjente kjemi som rettferdiggjør troen på at lange sekvenser av reaksjoner kan organisere seg selv spontant.. Det er all mulig grunn til å tro at de ikke kan det.'

'Enkle livsformer' -hvor enkle er de?

(fra brosjyren 'Livets opprinnelse')

Det er i hovedsak to ulike celletyper hos levende organismer: bakterieceller uten kjerne (prokaryote) og plante, dyr- og menneske-celler, med kjerne (eukaryote).Mange forskere mener at eukaryote celler utviklet seg fra prokaryote, ved f.eks. at baktericeller slukte andre celler -uten å fordøye dem.. Om evolusjonsteorien stemmer, burde det være mulig å stille opp en rimelig sannsynlig forklaring på hvordan de første eukaryote celler ble til. Om livet derimot er designet, burde det være mulig å finne tegn på en 'mindful design', selv i de minste detaljene. Vi skal kikke litt nærmere på en prokaryot celle:
For å anslå størrelsen, så er den flere hundre ganger mindre enn ett punktum. Membranen omkring cella er så tynn at det ville gå 10.000 av den oppå hverandre, for å få tykkelsen til et papirark. Noe av det mest intrikate ved cellemembraner at de har åpninger som kontrolleres av avanserte overvåkningssystemer. Det er 'dørvoktere' som passer på at kun stoffer cellen trenger, slipper inn og at ingen stoff som den trenger -slipper ut. De kan sammenlignes med kaianlegg, som er spesialdesignet til å motta en bestemt type varer.

Cellemembran

Cellene bruker mye tid og energi til å produsere proteiner. Det gjør den ved å produsere byggeklosser (aminosyrer) som leveres til ribosomer (5). Disse kan sammenlignes med automatiserte roboter (maskiner) som skjøter aminosyrer sammen i nøyaktig riktig rekkefølge til det proteinet som skal dannes. Liksom operasjoner i en fabrikk kan styres av dataprogram (eks. CAD/CAM) så styres funksjonene i en celle ved DNA-koden (6). Ribosomene får en DNA-kopi og har detaljerte instrukser for hvordan den skal bygge spesifikke proteiner. (7) Hvert protein folder seg sammen i en unik tredimensjonal form (8). Hvis ikke proteinet er foldet på eksakt riktig vis, vil det ikke fungere ordentlig og kan skade cellen. Hvert protein får en innebygd adresselapp, som sikrer at proteinet blir levert dit det skal. De kommer fram til nøyaktig rett sted, til tross for masseproduksjon i ribosomene.

Bilde. Gjensidig avhengighet -hva kom først?

Komplekse molekyler brytes ned utenfor cellen, og inni cellen trenger de hjelp fra andre komplekse molekyler, selv i den enkleste livsform. F.eks. trengs det enzymer for at det kan dannes energimolekyler (ATP- adenosintrifosfat), og det trengs energi fra ATP for at det skal dannes enzymer. Det trengs også DNA for at det skal dannes enzymer, men også enzymer for at det skal dannes DNA. Også andre proteiner kan bare dannes av en celle, men en celle kan bare dannes ved hjelp av proteiner. Noen av cellene i mennekekroppen består av omkring 10 milliarder proteinmolekyler (11) av flere hundre tusen uolke typer (12).

Mikrobiologen R. Popa måtte medgi, selv om han ikke tror på Gud, at "de mekanismene som må til for at en levende celle skal fungere, er så komplekse at det virker umulig at de har oppstått samtidig ved en tilfeldighet." (14) Dessto mer forskerne finner ut om hvor komplisert livet er, dessto mindre sannsynlig virker det at det er blitt til ved tilfeldigheter. Noen prøver å skille mellom evolusjonsteorien og selve opprinnelsen til livet. Men mange bygger på oppfatningen at det første livet oppsto som følge av en lang rekke tilfeldigheter. Og den går videre ut fra at en lang rekke ikke-styrte hendelser dannet det rike og kompliserte livet vi finner i verden i dag. Vi kan konkludere med at ingen celle er 'enkel' i den forstand at DNA og kodede instruksjoner er noen enkel materie.

Bilde. Proteinsyntese i ribosom

Menneskekroppen derimot er av de mest komplekse strukturer i universet. Avhengig av størrelse består den av anslagsvis 100 billioner ørsmå celler, som det går 100 av på 1 m.m. Den har over 200 ulike celletyper, eks. blodceller, nerveceller, muskelceller, benceller, øyeceller og hjerneceller m.m.m. Selv om de ulike nervetypene er meget ulike i form, fasong og funksjon, så er de tett integrert i et superraskt integrert nettverk. Nåværende hastigheter på Internett er trege og nettet ineffektivt i sammenligning.

Ligger alt i genene?

(forts. fra kap 8 i 'Guds bøddel' av John C. Lennox)

Alt snakk om kompleksitet i informasjonsrike bio-molekyler, kan etterlate inntrykk av at genene sier alt om hva det vil si å være menneske. Det har vært holdt som et sentralt dogme blant molekylærbiologer at genomet helt og holdent gjør rede for en organismes nedarvede egenskaper. Det har bidratt til en form for bio-determinisme, som gir uttrykk for at de enkelte gener har ansvar for alt fra sykdommer til matematiske egenskaper.

Et hierarki av kompleksitet

Nå er det imidlertid voksende bevis for at denne bio-determinismen er usannsynlig: Det menneskelige genom viser seg ha færre enn 30.000 gener. Dette er overraskende, tatt i betraktning at menneskets cellemaskiner produserer ca. 100.000 ulike proteiner. Dermed kunne en tro det ville eksistere tilsvarende antall gener til å kode for dem. Det kan virke som det 'er for få gener til å gjøre rede for den utrolige kompleksitet som våre nedarvede egenskaper utgjør.  Når noen vil fortelle oss at genene forteller oss hvem vi er, har de ikke fått tak i hele virkeligheten. Det er altså ikke 'én til én' sammenheng, men 'en til mange' sammenheng mellom gener og proteiner.